986

ние продукта, получаемых в различных мельницах. Это усложняет проблему регулирования гранулометрического состава цемента, но в то же время позволяет выпускать довольно стабильный в течение какого-то периода времени по дисперсности материал, но при этом качественный состав отдельных зерен даже в одной из фракций различный. Сравнение гранулометрических составов цементов, характеризующихся близкими значениями остатка на сите 008 и удельной поверхности, показало их различие даже при получении из клинкера одной и той же вращающейся печи.

Прослеживается зависимость между количественным содержанием фракций с размером частиц меньше 20 мкм и величиной общей сопротивляемости размолу: зерновой состав цемента, полученного измельчением клинкеров, обладающих высокой сопротивляемостью размолу, более однороден. Особенности кристаллической структуры, которые складываются в процессе образования и охлаждения разных по величине гранул клинкера, имеющих определенный минералогический состав, оказывают существенное влияние на гранулометрию цемента при одинаковых условиях измельчения и на стабильность свойств цемента.

Поверхностно-активные вещества оказывают сильное влияние на перераспределение зернового состава цементов. Адсорбция молекул ПАВ происходит преимущественно на дислокациях и активных участках поверхности. Микрорельеф алита очень тонок, поэтому он активнее, чем другие минералы, адсорбирует ПАВ. Алит и его мелкие частицы склонны к агрегированию, поэтому ПАВ по сравнению с другими добавками эффективно влияют на гранулометрию этого минерала.

Химико-минеральный состав зерен цемента разного размера неодинаков. Цементы с удельной поверхностью 1000, 2000, 2500, 3000 см2/г просеивались через сито 004 (20000 отв./см2) и полученная фракция размером 0-40 мкм рассеивалась на воздушном сепараторе на отдельные фракции. Для цемента на основе полизернистого клинкера Воскресенского завода фракции размером 0-10 мкм и особенно 0-2 мкм были обогащены алитом. Содержание белита в этих фракциях понижалось с 13 до 4-9%, количество С3А уменьшилось на 0,5%, а С4АF возрастало на 1-2%.

Содержание С3А и С4АF изменялось мало как в частицах фракции 0- 10 мкм, так и других фракциях цемента в пределах 0-40 мкм. Наиболее низкое содержание С4АF было в крупной фракции 28-40 мкм (14,5%), а самое высокое – в зернах размером 3-5 мкм (19,6%). В цементе на основе клинкера завода «Гигант» были следующие фракции: 0-7,5; 7,5-15; 15-25; 30-40 мкм. Химический и минералогический составы различных фракций цемента были неодинаковыми. В фракции размером 0-7,5 мкм наблюдалось повышенное содержание СаО и пониженное – SiO2 и MgO. В этой фракции присутствовало почти всё количество содержащихся в цементе SO3, Na2O, К2О. содержание алита было более высоким в тонких

62

фракциях цемента, чем в грубых. В составе фракций крупнее 20 мкм было пониженное содержание минерала С3А. Это значит, что кристаллы С3А при помоле легко измельчаются и этот минерал входит в состав наиболее тонких фракций цементов. Количество С4АF в тонких фракциях также было повышенным.

Величина кристаллов алита в зернах клинкера колебалось в пределах 10-80 мкм, а средний размер кристаллов был равен 35-40 мкм. Вследствие чего во фракции с размером частиц 60-85 мкм алит представлен самостоятельными зернами, а промежуточная фаза распределена в виде тонких оболочек вокруг этих зерен. Во фракции с размером частиц меньше 20 мкм алит представлен осколками кристаллов.

В этой же фракции присутствуют и частички промежуточной фазы, образовавшиеся в самом начале процесса измельчения. Избирательность измельчения зависит от микротвердости кристаллов минералов в каждом зерне клинкера и изменяется в заметных пределах. Чем выше было сопротивление клинкера размолу, тем в большей степени тонкие фракции цемента обогащались минералом алитом.

Исследования показали, что при измельчении различных клинкеров в лабораторной размольной мельнице содержание алита во фракции с размерами частиц 0-20 мкм повышалось на 6-10%; содержание белита в этой же фракции было на 5-15% меньше, а С3А – на 1-4% больше по сравнению со средним составом цемента. Содержание С4АF во фракции 0-20 мкм было таким же, как и в средней пробе цемента. Во фракции с размерами частиц более 63 мкм содержание С3S на 12-16% меньше, а С2S – на 10÷20% больше. При этом максимальное количество С3S во фракции 0-20 мкм было тогда, когда цемент имел небольшую удельную поверхность порядка 1000 см2/г. Для разных цементов количество алита С3S составило 69-75%. С увеличением удельной поверхности цементов от 1000 до 3000 см2/г количество алита во фракции 0-20 мкм уменьшалось. Это объясняется увеличением количества фракции 0-20 мкм в цементе по мере возрастания его удельной поверхности и образованием более твердыми минералами С2S и С4АF тонкозернистых порошков. С повышением удельной поверхности цементов содержание минерала целлита С3А во фракции 0-20 мкм также уменьшалось. Пониженное содержание С3А во фракции 0-20 мкм более трудно измельчаемых цементов при Sуд=2000 см2/г объясняется началом дробления твердых и хрупких кристаллов, то есть транскристаллитным разрушением, что «защищает» мелкие кристаллы С3А от вышелушивания из матрицы промежуточной фазы и измельчения. В клинкерах с меньшим сопротивлением измельчению при таких же значениях удельной поверхности продолжает превалировать распространение трещин раскола по межфазовым границам, что приводит к

63

отделению промежуточной фазы от кристаллов силикатов и вследствие пониженной её твердости к избирательному измельчению.

Цемент был разделен с помощью воздушного сепаратора на фракции различного размера: 0-7, 7-22, 22-35, 35-55 и > 55 мкм. Исследования показали, что эти фракции неодинаковы по минералогическому составу. Содержание С3S превышено в тонких фракциях, что объясняется более легкой размалываемостью его по сравнению с С2S.

Содержание С3А и С4АF во всех фракциях было приблизительно одинаково. Гипс концентрировался во фракциях 0-7 и 7-22 мкм. По данным Коупленда, Кантро, Венюа, Иванова-Городова и др. в мелкой фракции цемента повышалось содержание С3S, понижалось С2S, С3А и С4АF и резко увеличивалось содержание щелочей Na2O и К2О. приближение грубодисперсных частиц по составу к тонким объясняется наличием

вкрупных зернах агломератов из слипшихся мелких частиц. Было

установлено в иных тонких фракциях повышенное содержание SО3 и нерастворимого остатка в тонких фракциях цемента. Во фракции 0-3 мкм содержание потерь при прокаливании было в 8 раз больше, в 30 раз больше нерастворимого остатка, в 2,5 раза больше SО3, почти в 2 раза меньше С3S,

в3 раза меньше С2S и несколько меньше С3А и С4АF. Это объясняется тем, что по-видимому, тонкая фракция была обогащена гипсом, золой и другими примесями, что привело к снижению абсолютных количеств всех минералов. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. установили, что потери при прока-

ливании и содержание SО3 и MgO возрастают при уменьшении размера частиц до 0-5 мкм: потери при прокаливании были в 3 раза, SО3 – в 2 раза, MgO – в 1,5 раза больше, чем в исходном цементе. Наибольшее количество

С3S и наименьшее количество С2S содержалось во фракции с размерами частиц 20÷40 мкм, а не в самой тонкой с размерами частиц 0-5 мкм. Во

фракции 20-40 мкм содержание С4АF было больше, чем С3А. Сепарирование цементов приводит к изменению характера распреде-

ления минералов по фракциям. Из сепарированных цементов с удельной поверхностью Sуд, равной 3000, 4000 и 5000 см2/г, были выделены и исследованы три фракции с размерами частиц: 0-20; 0-40 и 0-60 мкм. Величина потерь при прокаливании в мелкой фракции 0-20 мкм была

почти в 3 раза, SО3 – в 2 раза, MgO – в 1,5 раза больше, чем в исходном цементе. Содержание К2О возрастало по мере увеличения степени дисперсности фракции, а количество Na2O не изменялось. Все три фракции были обогащены алитом и объединены белитом. Распределение С3А и С4АF по фракциям было неоднородным, незакономерным. С3S и гипс легко размалываются и переходят в тонкие фракции, MgO также переходит

вэти фракции, но из твердого раствора С3S, а повышенная величина потерь при прокаливании у мелких частиц обуславливается частичной гидратацией их парами воды, находящимися в воздухе. Если работать с

64

двумя сепараторами, то на основе одного и того же клинкера можно получить цементы отличающиеся один от другого содержанием минералов в следующих пределах: С3S – 5÷15%; С3А – 10÷20%; MgO – 10÷20%; С2S – 10÷30% [8].

4.2.5.2. Химический и гранулометрический состав мелкого заполнителя – песка

Песок как природный, так и искусственный (дробленый) состоит из кварца SiO2 полевых шпатов, известняка и доломита и содержит примеси глинистых минералов и карбонатов. Песок является активной структурообразующей составляющей бетона. При его введении в щебенистые смеси повышается удобоукладываемость и плотность бетона. Количество песка в бетоне меняется в значительных пределах, что связано с составом бетона, требуемыми свойствами. К песку для растворов, применяемым в кладке и штукатурных работах, предъявляются требования, учитывающие состав раствора, а, следовательно, количество песка, его природу, чистоту, зерновой состав, шероховатость, форму и органику зерен. В бетоне песок используется как мелкий заполнитель. В бетонной смеси песок наиболее тесно связан с цементным тестом, составляя с последним растворную часть её. Чем больше песка вводится в бетонную смесь, тем большей при прочих равных условиях, оказывается вязкость растворной части смеси. Вязкость необходима для поддержания крупного заполнителя во взвешенном состоянии во избежание расслаивания бетонной смеси, что приводит к меньшему расходу цемента. Однако чрезмерное содержание песка приводит к снижению прочности бетона. Количество песка должно быть оптимальным. Оптимум связан с конкретными качественными показателями того или иного песка.

Зерновой или гранулометрический состав песка отражает содержание в нем зерен различной крупности и определяется просеиванием средней пробы через стандартные сита с размерами отверстий сверху вниз: 10; 5; 2,5; 0,63; 0,315; 0,14 мм. Сита с отверстиями 10 и 5 мм служат для выявления засоренности песка зернами гравия или щебня. Зерна размером более 10 мм в песке не допускаются, а размером от 5 до 10 мм допускаются в количестве не более 5% по весу. Пробу сухого песка массой 1000 г высыпают на сито с отверстиями 2,5 мм, под которым располагаются остальные сита в порядке последовательного уменьшения размеров отверстий, и поддон. После просеивания песка встряхиванием вручную или механически определяют частные остатки на ситах, выражаемые в процентах к общему весу пробы, и полные остатки, которые получились бы на каждом сите, если бы всю пробу песка просеивали только сквозь это сито. Полные остатки находят суммированием частных остатков на данном

65

сите и всех ситах с более крупными отверстиями. Сквозь мелкое сито с отверстиями 0,14 мм должно пройти не более 10% от веса пробы.

Зерновой состав песка характеризуется модулем крупности:

где ΣА – сумма полных остатков на контрольных ситах, %.

ΣА=А2,5+ А1,25+ А0,63+ А0,315+ А0,14= 5а 2,5+ 4а1,25+ 3а0,63+ 2а0,315+ а0,14;

а2,5, а1,25… – частные остатки на ситах с большим размером отверстий, начиная с сита с размером 2,5 мм., %. Для получения качественного бетона зерновой (гранулометрический) состав имеет особое значение. Песок для бетона должен состоять из зерен различной величины (0,14-5 мм), чтобы объем пустот в нем был минимальным; чем меньше объем пустот в песке, тем меньше требуется цемента для получения плотного бетона. Для обеспечения качественного зернового состава и его постоянства в составе бетонной смеси применяют фракционированный песок, составленный из двух фракций: крупной и мелкой, раздельно дозируемых при приготовлении бетонной смеси. Удельный вес песка при данном минералогическом составе меняется мало. Обычно он равен 2,5÷2,7 г/см3. с зерновым составом песка связана его пустотность. Так как удельный вес песка практически не меняется, то пустотность в основном связана с объемным насыпным весом песка: чем больше объемный насыпной вес, тем меньше пустотность. Объемный насыпной вес сухого природного кварцевого песка примерно составляет 1500-1600 кг/м3, пустотность – 30-40%.

В бетонной смеси цементное тесто обволакивает зерна песка, покрывая их поверхность тонким слоем толщиной от 0,01 до 0,1 мм. Чем больше удельная поверхность зерен песка, тем большим будет расход цемента на их обволакивание и раздвижку. Поэтому удельная поверхность составляет для фракции 2,5–5 мм около 10 см2/г, а для самых мелких фракций песка 100÷300 см2/г, для среднезернистых природных песков – 40÷70 см2/г или 4–7 м2/кг. На качество бетона большое влияние оказывают содержащиеся в нем примеси: пылевидные, илистые, глинистые и органические. Количество их не должно превышать 3% в природном песке и 4% – в дробленом. Содержание перечисленных примесей определяют отмучиванием, состоящим в промывке песка водой по определенной стандартной методике. При значительном содержании в песке отмучиваемых примесей возможно снижение прочности и долговечности бетона. Наиболее вредной в песке является примесь глины, которая обволакивает отдельные зерна песка и препятствует сцеплению их с цементным камнем, понижая прочность бетона. Глинистые и пылевидные примеси в песке превышают водопотребность бетонных смесей и приводят к понижению прочности и морозостойкости бетона. Особенно жесткие требования предъявляет ГОСТ

66

к пескам, предназначенным для гидротехнического бетона зоны переменного горизонта воды: отмучиваемых примесей должно быть не более 2% по весу, в том числе глинистых не более 1%. В природных песках могут содержаться в большом количестве органические примеси – гуминовые кислоты, остатки растений, перегной, которые вступают в реакцию с твердеющим цементом и понижают прочность бетона. Содержание органических примесей определяют с помощью цветовой пробы, для чего

впесок в мерном цилиндре заливают 3%-м раствором гидроксида натрия NaOH и после перемешивания оставляют в покое на 24 часа. В зависимости от содержания органических примесей раствор окрашивается

вжелтый или коричневый цвет. Этот цвет сравнивают с цветом специально приготовленного эталона. Если органические примеси сильно окрашивают раствор NaOH и не растворимы в воде, то есть песок исследуют с целью проверки влияния органических примесей на прочность бетона. Для этого приготавливают на исследуемом песке две бетонные смеси одинакового состава, но в одной из них применяют песок промытый

визвестковом молоке (раствор Са(ОН)2), нейтрализующим органические кислоты, а затем в воде. Сравнение прочности бетона на промытом и непромытом песке показывает действительно ли вредны содержащиеся в песке примеси.

Впеске содержатся аморфные разновидности кремнезема, рудные минералы, слюды, сернокислые и сернистые соединения. Их определяют петрографическим исследованием с разборкой зерен под микроскопом и использованием для распознавания минералов химических реактивов. Аморфные разновидности кремнезема реагируют со щелочами цемента и могут явиться причиной разрушения бетона вследствие объемного расширения новообразований. Со щелочами взаимодействуют следующие минералы и горные породы: опал, халцедон, кремни, игловатые излив-

шиеся породы. Опал – аморфный минерал состава SiO2 nH2O , содер-

жащий от 1 до 15% воды. Цвет белый, серый со стеклянным опалесцирующим блеском. Халцедон – скрытнокристаллическая разновидность кремнезема SiO2 тонковолокнистого строения, белого, серого, голубого, желтого или красноватого цветов. Кремни – сланцеватые осадочные породы, содержащие опал, халцедон и кварц с глинистыми и известковыми примесями. Если в песке имеется наличие перечисленных минералов и горных пород, то проводится специальное исследование заполнителя на реакционную способность. Реакционную способность песка определяют следующим образом. Пробу песка выдерживают в подогретом гидроксида натрия NaOН, затем титрованием 0,1 н раствором соляной кислоты НСl определяют снижение щелочности раствора, а также количество перешедшего в раствор кремнезема.

67

Если в силу обстоятельств, приходится использовать песок, содержащий реакционно-способные разновидности кремнезема, то необходимо предъявлять особые требования к цементу.

В таких случаях для гидротехнического бетона допускаются к применению цементы с содержанием щелочей не более 0,6% в пересчете на Na2O. Содержание и допустимость в песке других вредных примесей определяются аналогичным образом.

Нестойкие рудные минералы, такие как оксиды железа, вследствие дальнейшего окисления и гидратации могут вызывать внутренние напряжения в бетоне, а также бурые пятна на поверхности конструкций. Чешуйки слюды вредны, так как не сцепляются с цементным камнем, и являются в бетоне зачаточными трещинами, где при нагрузке неизбежна концентрация напряжений. Для гидротехнического бетона содержание слюды в песке не должно превышать 1 - 3%.

Соединения серы в песке встречаются в виде гипса CaSO4 2H2O или

пирита FeS2. гипс вступает в реакцию с трёхкальциевым алюминатом 3CaO Al2O3 портландцемента и водой и образует «цементную бациллу» –

гидросульфоалюминат кальция. Эта реакция сопровождается значительным увеличением объема новообразований, что вызывает расширение бетона и трещинообразование. Пирит в бетоне со временем окисляется и гидратируется с образованием гидроксида железа (III) и серной кислоты, что сопровождается увеличением объема и коррозией цементного камня. Госстандарт ограничивает содержание сернокислых и сернистых соединений в песке до 1% в пересчете на SO3. Песок, добываемый на побережье морей, может содержать примеси солей, содержащихся в морской воде. Эти соли не вредны для бетона, но образуют высолы на поверхности конструкций. Эти соли могут выщзывать коррозию стальной арматуры в железобетоне. В связи с этим песок лучше добывать непосредственно из воды, ниже черты отлива.

Таким образом, выбор песка для бетона следует по госстандартам по зерновому составу и модулю крупности, содержанию пылевидных и глинистых частиц, петрографическому составу, в том числе содержанию вредных примесей, включая органические примеси и потенциальнореакционноспособные породы и минералы, а при применении дробленых песков – по пределу прочности исходной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии.

Для получения асфальтобетона применяется минеральный порошок. Он представляет собой продукт тонкого измельчения известняков, доломитов, доломитизированных известняков и других карбонатных горных пород прочностью не менее 20 МПа или основных доменных шлаков. Основой минерального порошка являются карбонаты кальция и м магния СаСО3 и MgСO3.

68

Используют активированные порошки, которые получают путем помола горных пород в присутствии активирующей смеси битума и поверхностно-активного вещества. Минеральный порошок в асфальтобетоне играет роль добавки, структурирующей битум и образующей с ним асфальтовяжущее вещество, которое во многом определяет прочность асфальтобетона, его плотность и теплоустойчивость.

Качество минерального порошка характеризуется минералогическим составом, тонкостью помола, удельной поверхностью, степенью набухания смеси порошка с битумом, битумоёмкостью, влажностью. Тонкость помола минерального порошка считается удовлетворительной, если на сите с размером 1,25 мм частицы не задержались, на сите с размером отверстий 0,315 мм полный остаток неактивированного порошка не превышает 10%, а активированного – 5%; на сите с размером отверстий 0,071 мм полный остаток неактивированного порошка составит не более 30%, а активированного – не более 20%.

Набухание смеси битума с минеральным порошком является характеристикой, косвенно определяющей содержание глинистых частиц в порошке и устойчивость асфальтобетона при переменном увлажнении и высыхании. За величину набухания минерального порошка с битумом принимают приращение объема порошка из этой смеси после насыщения водой в вакуум-приборе и последующего выдерживания в горячей воде. Набухание качественного неактивированного порошка не должно превышать 2,5% по объему, набухание активированного порошка не должно превышать 1,5%.

Битумоёмкость минерального порошка характеризует его адсорбционную способность. За величину битумоёмкости принимают массовое количество минерального масла, при котором смесь его с порошком (100 см3 абсолютного объема) имеет определенную консистенцию, измеряемую глубиной погружения металлического пластика цилиндрической формы диаметром 10±0,1 мм. Показатель битумоёмкости ПБ в г/см3, абсолютного объема порошка вычисляют по формуле

где ρм.п – плотность минерального порошка, г/см3; Q – количество порошка установленной консистенции, г.

Для неактивированных минеральных порошков показатель битумоёмкости не должен превышать 0,65 г/см3, а для активированных порошков – 50 г/см3.

Влажность порошка характеризует его способность поглощать влагу в естественном состоянии. При наличии влаги в порошке повышается его способность к комкованию на стадии хранения и ухудшается прилипание

69

битума к поверхности минеральных составляющих. Влажность активированного минерального порошка не должна превышать 0,5%, а обычного порошка – 1%.

4.2.5.3.Химический и зерновой состав крупного заполнителя

Вкачестве крупного заполнителя для тяжелого бетона применяют гравий

ищебень из горных пород или щебень из гравия с размером зерен 5–70 мм. Гравием называют обломки каменных пород, в разной степени

окатанные, крупностью от 5 до 70 мм и более. Наиболее окатанными бывают крупные зерна гравия в руслах рек и на побережьях морей (галька)

– до формы яйца или овального диска – с гладкой поверхностью, с которой цементный камень в бетоне имеет плохое сцепление. Из-за недостаточного сцепления гравий не применяется в бетонах марки выше 300. крупные фракции гравия используются для дробления на щебень. Преобладающими породами, из которых состоят зерна гравия, являются граниты, гнейсы, диабазы, известняки, песчаники.

Граниты являются кислыми глубинными породами, имеющими кристаллическую структуру, преимущественно крупно- и среднезернистую. Породообразующими минералами являются полевые шпаты, в основном ортоклаз К2 О Al2 O3 6SiO2 («прямораскалывающийся»); – до

70%; кварц – кристаллический кремнезем SiO2 – более 20%; светлая

Гнейсы – метаморфизированные каолинит граниты. Отличаются от гранитов слоистым строением. Если слоистость или сланцеватость сильно выражены, то при дроблении такая порода образует пластинчатые зерна, что нежелательно.

Диабаз состоит из плагиоклазов – альбита Na2O Al2O3 6SiO2 и анор-

70